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真空热处理工艺制定原则

真空热处理设备始于20世纪20年代,但是其真正发展还是从20世纪六七十年代开始的,主要是因当时市场的需求及石墨技术的研究发展。

真空热处理工艺制定原则


真空热处理的工作环境其实是

指低于一个标准大气压(1.013×​105Pa),

包括低真空(​105~102Pa)、

中真空(102~10-1Pa)、

高真空(10-1~10-5Pa)、

超高真空(<10-5Pa)。

真空热处理相对来说也是可控气氛热处理,只是其工作环境空气极其稀薄,工件在真空状态加热可以避免常规普通热处理的氧化、脱碳,避免氢脆,变形量相对较小,提高材料零部件的综合力学性能。经真空热处理后的部件寿命通常是普通热处理的寿命的几十倍,甚至几百倍。

制定真空热处理工艺的主要内容是:确定加热 制度(温度、时间及方式)决定真空度和气压调节, 选择冷却方式和介质等。

1、加热温度

真空加热有两大特点,一是在极稀薄的气氛中加热,避免了在空气中加热产生的氧化、脱碳、侵蚀等现象;另一特点是真空状态下的传热是单一辐射传热,其传热能力E与绝对温度T的四次方成正比, 即E=C(T/100)4。

由此可知,在真空状态下、尤其在低温阶段,升温缓慢,从而使工件表面与心部之间的温差减小热应力小,工件变形也小。加热温度的选取对工件质量至关重要,在制定工艺时,根据工件的技术要求、服役条件和性能要求,找出最佳的加热温度,在不影响性能且考虑减小变形的情况下,尽量选用下限温度。

2、保温时间

保温时间的长短,取决于工件的尺寸形状及装炉量的多少。一般资料中介绍的传统加热保温时 T按下式确定:

T1=30+(1.5-2)D

T2=30+(1.0-1.5)D

T3=20+(0.25-0.5)D

式中:D为工件有效厚度(mm);

T1为第一次预热时间(min);

T2为第二次预热时间(min);

T3为最终保温时间(min)。

实际上,在一炉中往往同时装有若干形状尺寸不同的工件,这就需要进行综合考虑。我们按照工件的大小、形状、摆放方式及装炉量,确定保温时间,同时还考虑到,真空加热主要是靠高温辐射,低温加热时(600℃以下)工件温升非常缓慢此时在工件无特殊变形要求时,应使第一次预热和第二次预热的时间尽量缩短,并提高预热温度,因为低温保温时间再长,升温后工件心部要达到表面温度还是需要一定时间。

真空热处理工艺制定原则

根据真空加热原理提高预热温度,可减少 工件内外温差,使预热时间缩短,而最终的保温时间应该适当延长,使得钢中的碳化物充分溶解。这样,既保证了质量,也提高了工作效率。保温时间的长短还与下列因素有关:

①装炉量:工件尺寸相同时装炉量大,则透烧的时间应延长;反之,则应缩短。

②工件摆放形式:由于真空炉是辐射加热,一般说来,如果工件形状相同,应尽量使工件摆放整齐,避免遮挡热辐射,并留出一定的摆放空隙(<D),以保证工件能够受到最大的热辐射;对不同工件同装一炉,除按最大工件计算保温时间外,还要增加透烧时间。当摆放空隙<D时,所得的经验公式为:

T1=T2=T3=0.4G+D

式中G为装炉量(kg)

其余各符号的意义同前。

另外

对于小工件(有效厚度D≤20mm)

或是工件之间的摆放空隙≥D

保温时间可以减少:

T1=T2=0.1G+D

T3=0.3G+D

对于大工件(有效厚度D≥100mm)

最后的保温时间可以减少

T1=T2=T3=0.4G+0.6D

③加热温度:加热温度高,可缩短保温时间。

3、冷却时间

①预冷:对于高温淬火的中小零件,还注意到由热室进入冷室后,在淬火前是否进行预冷,将影响淬火变形。其规律是:由热室进入冷室后,直接进行油冷或气冷,将导致尺寸变化;如果进行适当的预冷,则可保持热处理前的尺寸不变;但若预冷时间过长,将会导致工件尺寸胀大。一般的规律是,对于有效厚度为20~60mm的工件,预冷时间为0.5~3min 。

据分析,这是由于当不预冷而直接进行淬火时, 零件中的内应力以热应力为主,故出现体积收缩,而在经较长时间预冷后再淬火时,零件中的内应力以相变应力为主,从而出现体积膨胀,只有在进行适当时间的预冷后,热应力和相变应力的作用相平衡,才能达到工件的尺寸不变。

②气冷:我们所采用的真空炉可通入2bar以下氮气进行加压气淬,冷却到100℃以下出炉。计算气冷时间的经验公式如下:    

T4=0.2G+0.3D

式中:T4为气冷时间(min)。

③油冷:淬火油温度一般控制在60~80℃,工模具的出油温度通常控制在100~200℃。计算油冷时间的经验公式如下:

T5=0.02G+0.1D

式中:T5为油中冷却时间(min)。

这时工件出炉温度一般可在150℃左右。

4、结论

①考虑到装炉量及摆放空隙<D时,

保温时间按T1=T2=T3=0.4G+D 确定;

②对于小工件(有效厚度D≤20mm,且摆放空隙≥D)时,

保温时间按T1=T2=0.1G+D   T3=0.3G+D 确定;

③对于大工件(有效厚度D≥100mm)时,

保温时间按T1=T2=T3=0.4G+0.6D确定;

④空冷时间按T4=0.2G+0.3D确定;

⑤油冷时间按T5=0.02G+0.1D确定。
 

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